IDEE, PROJEKT UND PRODUKT KOMPAKTE UND DEZENTRALE WARMWASSERBEREITSTELLUNG von Prof. Stefan Bertsch und Elias Büchel Im Badezimmer treffen verschiedene Herausforderungen zusammen. Man braucht Energie, die Luft ist feucht und die Entlüftung muss gewährleistet sein. Experten der Interstaatlichen Hochschule für Technik Buchs (NTB), der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) und der Berner Fachhochschule (BFH) haben sich zusammengetan, um für Anbieter spannende und zeitgemässe Lösungen zu entwickeln. Es geht um die Warmwasserbereitstellung aus Fortluft und Solarstrom. Das Unternehmen Swissframe AG mit Sitz in Münchenbuchsee BE bietet für seine Kunden Komplettlösungen im Bereich Badezimmersanierungen an. Diese bestehen aus vorkonfektionierten Badezimmervorwandeinheiten, welche bereits mit allen nötigen Utensilien ausgestattet sind, wenn diese beim Kunden eintreffen. Die Sanierung eines Badezimmers verkürzt sich für den Kunden dadurch wesentlich und kann durch zwei Sanitärinstallateure allein bewerkstelligt werden. Herr Balz Hegg, CEO der Swissframe AG, hatte die Vision, dass es möglich sein muss, den zur Verfügung stehenden Raum hinter der Vorwand optimal auszunutzen. Ihm kam die Idee, in die Vorwandeinheit nicht nur einen dezentralen Warmwasserspeicher einzubauen, sondern auch das benötigte Warmwasser für die Wohneinheit mittels einer Kleinleistungswärmepumpe lokal in der Vorwandeinheit zu produzieren. Swissframe wandte sich mit dieser Idee im Jahr 2014 an die Partner-Fachhochschulen NTB (Interstaatliche Hochschule für Technik, Institut für Energiesysteme IES), HSR (Hochschule für Technik Rapperswil, Institut für Solartechnik SPF) und BFH (Berner Fachhochschule, Labor für Photovoltaiksysteme). Nach Prüfung des Potenzials der Idee wurde bei der Komission für Technologie und Innovation (KTI) ein Gesuch für ein KTI-Projekt eingereicht, um die Idee zu verwirklichen. Nach zwei Jahren intensiver Forschungs- und Entwicklungszeit konnte Herr Balz Hegg Ende 2016 die Früchte diese Arbeit im Rahmen der neuen Vorwandeinheit-THERMOS präsentieren. KOMPONENTEN UND FUNKTION Die Vorwandeinheit-THERMOS besitzt ein Komfortlüftungsgerät mit einem intelligenten Wärmerückgewinnungssystem der Zehnder Group AG. Dazu kommt ein klei- Seite 34 // baurundschau
ner Warmwasserspeicher mit Hochleistungsisolation, der zusammen mit der Kleinleistungswärmepumpe, den Wärmebedarf eines Dreipersonenhaushalts mehr als ausreichend decken kann. Ausserdem eine smarte Steuerung, welche das Gesamtsystem überwacht bzw. steuert und mittels Solarstrom den Eigenbedarf der Wohneinheiten optimiert. Die Wärmepumpe, der Speicher mit Hochleistungsisolation und die Steuerung wurden im Rahmen des KTI-Projekts speziell für diese Anwendung ausgelegt und entwickelt. KLIMATISIERUNG DER WOHNUNG Das Komfortlüftungsgerät sorgt für eine optimale Belüftung des Badezimmers. Bei grösseren Renovierungen kann auch die Belüftung der gesamten Wohnung mit dieser sichergestellt werden. Das Lüftungsgerät leitet die alte, abgestandene Luft aus der Wohnung und versorgt diese mit frischer Aussenluft. Um zu verhindern, dass die Wohnung durch den ständigen Austausch auskühlt, werden die Luftströme über einen Enthalpietauscher Ausgabe 02/2017 // Seite 35
Das Mikroklima eines Badezimmers birgt einige Herausforderungen. geleitet. In diesem wird nicht nur die Wärme der Abluft zurückgewonnen, sondern auch die Feuchtigkeit in der Luft so reguliert, dass in der Wohnung ein konstantes Klima herrscht. KLEINLEISTUNGSWÄRMEPUMPE FÜR WARMWASSERPRODUKTION Bevor die Abluft, aus der bereits durch das Lüftungsgerät Energie in Form von Wärme zurückgewonnen wurde, die Wohnung verlässt, dient sie als Wärmequelle für die Kleinleistungswärmepumpe. Die Kleinleistungswärmepumpe entzieht der Abluft durch das Verdampfen des Kältemittels die restliche, noch verbleibende Energie. Im Kompressor, dem Herz der Wärmepumpe, wird die zurückgewonnene Energie mit dem zugeführten Solarstrom thermisch aufgewertet, sodass diese im Kondensator als nutzbare Energie erneut zur Verfügung steht. Im Kondensator, der im Boiler platziert wird, kann das Kältemittel die aufgewertete Energie in Form von Wärme an das Speichermedium abgeben, welches sich dadurch erwärmt. Die Wärmepumpe erreicht in den kritischen Wintermonaten eine Heizleistung zwischen 250 und 400 Watt, je nach Temperatur der Wärmesenke. Mit dieser Leistung ist die Wärmepumpe in der Lage, das Speichermedium in einem Tag von 20 Grad Celsius auf 60 Grad Celsius aufzuwärmen. Auf die Geräuschemission der Wärmepumpe wurde besonders geachtet, da Seite 36 // baurundschau
INFORMATIONEN ZUR VORWANDEINHEIT-THERMOS Weitere ausführliche Informationen zum System und den Messungen finden Sie auch in dem vom Nationalen Kompetenznetzwerk für Gebäudetechnik und Erneuerbare Energien (brenet) am 19. Status Seminar veröffentlichten Paper: kompakte, dezentrale Warm wasserbereitstellung aus Fortluft und Solarstrom (KoDeWa) (www.ntb.ch/fue/institute/ies/projekte) oder direkt bei den Partner hochschulen NTB, HSR und BFH und dem Industriepartner Swissframe AG. Renoviertes Badezimmer mit Vorwandeinheit-THERMOS. diese den Komfort des Kunden beeinträchtigen beziehungsweise stören kann, da das System in den Wohnbereichen arbeitet. Bei laufendem Komfortlüftungsgerät ist die Wärmepumpe für den Kunden nicht wahrnehmbar. HOCHLEISTUNGSISOLATION FÜR DEN ENERGIESPEICHER Trotz der hohen Funktionalität sollte die Vorwandeinheit nicht mehr Platz benötigen als andere, gängige Sanitärinstallationen. Da das Komfortlüftungsgerät die einzige Komponente ist, welche als fertiges Produkt in die Vorwandeinheit integriert wird, wurden die Masse der Vorwandeinheit auf diese Komponente angepasst. Der Speicher musste deshalb speziell auf die Vorwandeinheit angepasst werden. Die Menge an Energie, welche im Boiler gespeichert werden kann, ist abhängig von den spezifischen Eigenschaften (= konstant) des Speichermediums und des Volumens (= variabel), welches dem Speichermedium im Boiler zur Verfügung steht. Um möglichst viel Volumen erreichen zu können, wurde ein kubischer anstelle eines sonst üblichen zylindrischen Speichers entwickelt. Das Volumen des Speichers wurde auf 100 Liter begrenzt, wodurch erreicht werden konnte, dass die ganze Vorwandeinheit eine Tiefe von lediglich 0.3 Metern hat. Im Boiler wurden zwei Wärmetauscher platziert. Dies sind zum einen der Kondensator, welcher das Speichermedium mit Energie Ausgabe 02/2017 // Seite 37
ser liefert jedoch im Normalbetrieb keine Wärmeenergie und gilt auch als Backup- Lösung im Falle eines Defekts am System. Neue Komponenten (komplettes KoDeWa-System) in der Vorwandeinheit-THERMOS. VORTEILE DER VORWANDEINHEIT Die dezentrale Warmwasserproduktion und Speicherung bringt viele Vorteile. Messungen in Feldversuchen zeigen, dass das System einen Gesamt-COP (= Effizienz der Wärmepumpe beziehungsweise Systems) von 2.0 erreicht. Im Vergleich zu einem konventionellen Elektroboiler (COP = 0.7 mit Wärmespeicher) ist die Vorwandeinheit drei Mal effizienter. Dazu kommt, dass durch die dezentralen Warmwasserspeicher besonders in Mehrfamilienhäusern lange Wärmenetze und Warmhaltesysteme nicht benötigt werden. Die passiven Energieverluste der Verteilnetze entfallen somit gänzlich. Mit dem Warmwasserspeicher als Energiespeicher spielt die sonst problematische Zeitdiskrepanz zwischen Energieproduktion und Energiebedarf der erneuerbaren Energiequellen nur noch eine untergeordnete Rolle, da der produzierte Solarstrom direkt eingesetzt werden kann, um während des Tages den Speicher wieder mit Energie beziehungsweise mit Warmwasser zu versorgen. Für Vermieter und Mieter bietet die Vorwandeinheit-THERMOS weitere Vorteile. Da die gesamte Warmwasserproduktion dezentral in den Wohnungen selbst stattfindet, kann der Warmwasserverbrauch effektiv nach dem Verbraucherprinzip abgerechnet werden. Dazu sind keine zusätzlichen Zähler nötig, Stromzähler und Wasserzähler jeder Wohnung reichen dafür völlig aus. Die Abrechnung der Nebenkosten wird transparenter und für den Mieter einfacher verständlich. Vergleich des Energiebedarfs für die Warmwasserproduktion konventioneller Speichersysteme mit der Vorwandeinheit-THERMOS. versorgt und dieses aufwärmt, und zum anderen der Frischwasserwärmetauscher, welcher die Energie wiederum aus dem Boiler entzieht und als Warmwasser an den Entnahmestellen bereitstellt. Um den Energieverlust des Speichers über dessen Oberfläche so gering wie möglich zu halten und sämtlichen SIA-Kriterien genügen zu können, wurde der Speicher mit Hochleistung Vakuumisolationspaneelen, kurz VIP, als Isolation verkleidet. Mit einem Paneel mit einer Wandstärke von zehn Millimetern kann der SIA-Grenzwert von 1.05 kwh Wärmeverlust pro Tag bereits eingehalten werden. Mit einer 20 Millimeter dicken Isolationsschicht kann sogar der strengere Zielwert der SIA von 0.75 kwh/d erreicht werden. KOMFORT UND SICHERHEIT Der Komfort des Kunden steht an oberster Stelle. Damit auch bei sehr grossen Warmwasserbezügen immer warmes Wasser zur Verfügung steht, wird das Warmwasser nach Verlassen des Boilers zusätzlich durch einen Durchlauferhitzer geführt. Die- PROF. STEFAN BERTSCH ist Leiter des Instituts für Energiesysteme IES der NTB Interstaatlichen Hochschule für Technik Buchs. ELIAS BÜCHEL ist BSc FHO in Systemtechnik am Institut für Energiesysteme IES der NTB Interstaatlichen Hochschule für Technik Buchs. www.ntb.ch Seite 38 // baurundschau